近距離突出煤層群瓦斯治理技術(shù)優(yōu)化的研究

劉雪莉，游繼軍

1. 安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230031；2. 淮礦西部煤礦投資管理有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

礦井瓦斯一直是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，隨著礦井開采深度的增加，煤層瓦斯壓力及瓦斯含量呈顯著上升趨勢，先前的許多低瓦斯礦井、高瓦斯礦井如今都成了煤與瓦斯突出礦井，隨之而來的是瓦斯隱患和事故的增加［1-2］。對于突出煤層，開采保護(hù)層是最經(jīng)濟(jì)、有效的區(qū)域性防突措施［3-4］，保護(hù)層的合理選擇、技術(shù)參數(shù)的合理確定對保護(hù)范圍及保護(hù)效果的考察至關(guān)重要［5-6］，但在煤層間距不大于10 m 的近距離煤層群開采條件下，上保護(hù)層工作面在回采過程中，其底板下方15～25 m 深度范圍內(nèi)的煤巖層受采動(dòng)影響形成底鼓斷裂帶，煤巖層透氣性系數(shù)大幅度增加，此時(shí)大量的卸壓瓦斯通過穿層裂隙流至保護(hù)層回采空間，經(jīng)過工作面回風(fēng)隅角向工作面回風(fēng)流中涌出，造成回風(fēng)隅角及回風(fēng)巷內(nèi)甲烷傳感器頻繁報(bào)警甚至超限，給工作面的安全回采造成嚴(yán)重威脅［7-9］。當(dāng)保護(hù)層工作面也具有突出危險(xiǎn)時(shí)，需同時(shí)解決防治突出和瓦斯涌出導(dǎo)致超限兩大難題［10-12］。目前，對于近距離煤層群瓦斯的治理，常用的治理方案有開采保護(hù)層、施工底板巷進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽、施工高位鉆孔抽采采空區(qū)及鄰近層瓦斯、工作面采用“Y”型通風(fēng)及應(yīng)用無煤柱開采技術(shù)等處理回風(fēng)隅角瓦斯等方案，但針對不同的治理方案其在技術(shù)方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性方面不盡相同，因此，探討一種綜合瓦斯治理方案來解決近距離突出煤層群的瓦斯問題具有極其重要的意義［13-15］。

1 礦井概況及瓦斯治理存在的問題

1.1 礦井概況

新莊孜煤礦位于安徽省淮南市八公山區(qū)，礦井開采的煤層均為突出煤層，煤層傾角25°～30°，各煤層之間間距9～40 m，為近距離煤層群，各可采煤層柱狀圖如圖1 所示，煤層原始瓦斯壓力及瓦斯含量如表1 所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column diagram of coal seams

1.2 瓦斯治理存在的問題

1）首采煤層（保護(hù)層）難以選取。從表1 可以看出，各煤層原始瓦斯壓力均大于0.74 MPa、原始瓦斯含量均大于8 m3/t，且都為突出煤層。因此，無論選取哪層煤作為首采煤層，均要進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理。

表1 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of coal seam gas

2）鄰近層瓦斯涌出量大。由圖1 可以看出，B6 與B7a 煤 層 間 距 僅9 m，B7a 與B8 煤 層 間 距12 m，當(dāng)回采B8 煤層時(shí)，上覆的B10 煤層及下伏的B7a 與B6 煤層內(nèi)的卸壓瓦斯通過采動(dòng)裂隙大量涌入B8 煤層回采空間，當(dāng)回采B6 煤層時(shí)上覆的B7a 與B8 煤層內(nèi)的瓦斯通過采動(dòng)裂隙也會(huì)涌入B6 煤層回采空間，導(dǎo)致本煤層工作面在回采過程中瓦斯頻發(fā)報(bào)警超限。

3）采煤、掘進(jìn)、瓦斯抽采接替緊張。B6 與B7a煤層間距為9 m（＜10 m），且均為突出煤層，需分別進(jìn)行預(yù)抽和保護(hù)層開采消突，但由于礦井生產(chǎn)接替緊張，抽采時(shí)間短，抽采量不足，不能滿足瓦斯治理的需要。

2 區(qū)域瓦斯治理優(yōu)化方案及可行性分析

2.1 區(qū)域瓦斯治理優(yōu)化方案

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，保護(hù)層的選擇應(yīng)優(yōu)先選擇無突出危險(xiǎn)的煤層作為保護(hù)層，接著選擇突出危險(xiǎn)程度較小的煤層作為保護(hù)層，并且優(yōu)先選擇上保護(hù)層。根據(jù)上述保護(hù)層選取原則，確定將B10 煤層做為保護(hù)層，這是因?yàn)椋菏紫龋珺10 煤層瓦斯壓力及原始瓦斯含量較其他煤層??；其次，B10 煤層最薄，發(fā)生突出的可能性較其他幾層厚煤層??；最后，開采B10 煤層可同時(shí)保護(hù)上部的B11b 煤層及下部的B8 煤層。

保護(hù)層選取后，在開采保護(hù)層前需先對本煤層采取預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，具體實(shí)施方案為在B10 煤層底板巷內(nèi)施工穿層鉆孔對B10煤層運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷進(jìn)行保護(hù)，鉆孔控制范圍為B10 煤層運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷上幫輪廓線外至少20 m，下幫至少10 m；B10 煤層運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷掘進(jìn)結(jié)束后立即在兩巷施工上、下順層鉆孔來預(yù)抽工作面煤層瓦斯，同時(shí)利用B10 煤層底板巷向工作面施工穿層鉆孔預(yù)抽工作面煤層瓦斯，工作面瓦斯治理示意圖如圖2 所示。被保護(hù)的開采順序?yàn)锽11b煤層→B8 煤層→B7a 煤層→B6 煤層。

圖2 保護(hù)層工作面瓦斯治理示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas control in protective seam working face

在開采保護(hù)層期間對于被保護(hù)層的瓦斯治理有3 種不同方案：

方案1：采取各煤層分層治理，具體實(shí)施方案為開采B10 煤層時(shí)利用C13 煤層底板施工的B11b煤穿層鉆孔及B10 煤層底板巷施工的B8 煤穿層鉆孔分別抽采B11b、B8煤層的卸壓瓦斯，如圖3（a）所示；開采B8 煤層時(shí)利用B6 煤層底板巷施工的B6、B7a 煤穿層鉆孔抽采B6、B7a 煤層卸壓瓦斯，如圖3（b）所示。

方案2：采取煤層群聯(lián)合治理，具體實(shí)施方案為提前在C13 煤層底板巷施工B11b 煤穿層鉆孔、B10 煤層底板巷施工B8 煤穿層鉆孔及B6 煤層底板巷施工B6、B7a 煤穿層鉆孔，開采B10 煤層時(shí)利用各底板巷內(nèi)施工的穿層鉆孔抽采各煤層受采動(dòng)影響涌出的卸壓瓦斯，如圖3（c）所示。

方案3：將整個(gè)煤層群做為一個(gè)瓦斯治理單元，統(tǒng)籌考慮，具體實(shí)施方案和方案2 類似，與方案2 的不同之處有2 點(diǎn)：一是在B10 煤層回采前，在其頂板施工一條巖巷，該巖巷位于B10 煤層回風(fēng)巷上方20 m，同時(shí)內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷25 m，在該巷道內(nèi)施工穿層鉆孔抽采B11b 煤層瓦斯，在B10 煤層開采時(shí)對該巷道進(jìn)行封閉抽采［16-17］；二是在B10 煤層回采結(jié)束后在B6 煤層底板巷內(nèi)再次施工上向穿層鉆孔，鉆孔終孔位置位于B8 煤層內(nèi)，抽采B6、B7a及B8 煤層的卸壓瓦斯，如圖3（d）所示。

2.2 可行性分析

圖3 被保護(hù)層工作面瓦斯治理示意圖：（a）C13、B10 煤層底板巷，（b）B6 煤層底板巷，（c）C13、B10、B6 煤層底板巷，（d）C13、B10、B6 煤層底板巷及B10 煤層高抽巷Fig.3 Schematic diagrams of gas control in protected seam working faces：（a）C13 and B10 coal seam floor roadway，（b）B6 coal seam floor roadway，（c）C13，B10 and B6 coal seam floor roadway，（d）C13，B10，B6 coal seam floor roadway and B10 coal seam high drainage roadway

方案1 與方案2 比較，所施工的鉆孔量相同，不同之處在于B6 煤層底板巷穿層鉆孔施工時(shí)間。方案1 是開采B8 煤層時(shí)才開始施工，而方案2 則是在開采B10 煤層前就施工，從采掘接替及瓦斯治理安全角度看方案2 更加合理：因?yàn)椴捎梅桨?，B7a、B6 煤層的卸壓瓦斯抽采時(shí)間過短，抽采量不足；其次，在開采B10、B11b 煤層時(shí)B7a、B6 煤層的卸壓瓦斯無法進(jìn)行抽采，方案2 可以彌補(bǔ)這一不足。但方案1 和方案2 都存在一個(gè)共性的問題，即B10 煤層開采時(shí)上覆的B11b 煤層涌出的大量卸壓瓦斯僅靠C13 煤層底板巷內(nèi)施工的下半部穿層鉆孔抽采是無法滿足的，B11b 煤層上半部的大量卸壓瓦斯由于未進(jìn)行抽采，隨底板產(chǎn)生的采動(dòng)裂隙全部涌入正在開采的B10 煤層采空區(qū)中，同時(shí)B10煤層自身涌出的瓦斯全部積聚在回風(fēng)隅角，造成回風(fēng)隅角處瓦斯?jié)舛瘸^傳感器報(bào)警值，甚至超限；此外，回風(fēng)隅角的高濃度瓦斯隨著風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷，導(dǎo)致工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛纫哺哂谡Ｖ?，?yán)重影響了B10 煤的開采速度，因此，方案2 也非最優(yōu)治理方案。

方案2 與方案3 比較，在鉆孔工程量上，方案3在B6 煤層底板巷內(nèi)多施工了一輪穿層鉆孔，且鉆孔終孔位于B8 煤層中；在巷道工程量上，方案3 多施工了一條巖巷，從經(jīng)濟(jì)上看方案3 劣于方案2，但從保護(hù)層安全開采、瓦斯治理效果及瓦斯抽采利用方面綜合考慮，方案3 卻優(yōu)于方案2，這是因?yàn)椋菏紫龋珺10 煤層開采過程中本煤層涌出的大量卸壓瓦斯積聚在回風(fēng)隅角，造成回風(fēng)隅角的高濃度瓦斯無法治理；其次，B11b 煤層的原始瓦斯壓力2.8 MPa，原始瓦斯含量12.31 m3/t，與保護(hù)層B10煤層的層間距32 m，B8 煤層的原始瓦斯壓力2.8 MPa，原始瓦斯含量13 m3/t，與保護(hù)層B10 煤層的層間距40 m，僅靠開采B10 煤保護(hù)層、C13 煤層及B10 煤層底板巷施工的穿層鉆孔無法滿足瓦斯治理的需要，B11b 及B8 煤層內(nèi)大量卸壓瓦斯將會(huì)對B10 煤層及后續(xù)的B11b、B8 煤層回采造成嚴(yán)重的安全威脅，但通過對B10 煤層高抽巷進(jìn)行封閉巷抽，既能解決B10 煤層工作面回風(fēng)隅角的高濃度瓦斯，又能抽采B11b 煤層涌出的卸壓瓦斯；其次，開采B10 煤層時(shí)，對上覆的B11b 及下伏的B8、B7a 及B6 煤層進(jìn)行了初次卸壓，此時(shí)B8 煤層的卸壓瓦斯可以通過B10 煤層底板巷內(nèi)施工的穿層鉆孔抽采，當(dāng)B10 煤層開采結(jié)束后，B8、B7a 及B6 煤層的頂?shù)装瀹a(chǎn)生的裂隙將會(huì)大量增加，此時(shí)在B6 煤層底板巷內(nèi)重新施工穿層鉆孔至B8 煤層中，既可以最大限度的抽采B8、B7a 及B6 煤層的卸壓瓦斯，又可以在開采B11b 煤層過程中對下伏煤層受采動(dòng)影響而產(chǎn)生的二次卸壓所涌出的瓦斯進(jìn)行抽采；從表2 可以看出，B6 煤層底板巷內(nèi)二次施工的穿層鉆孔對B8、B7a 及B6 煤層的卸壓瓦斯抽采效果顯著。最后，利用抽采的瓦斯進(jìn)行發(fā)電及民用，實(shí)現(xiàn)了瓦斯綜合利用，既創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，又降低了瓦斯排放對大氣造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。綜上所述，方案3是最優(yōu)的瓦斯治理方案。

3 瓦斯治理效果

3.1 保護(hù)層工作面瓦斯治理效果

B10 煤層作為保護(hù)層，對于保護(hù)層采取底板巷施工穿層鉆孔、工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷施工煤層順層鉆孔的方式來預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，成功消除了B10 煤層的突出危險(xiǎn)性，對工作面采取的防突措施效果進(jìn)行檢驗(yàn)，工作面殘余瓦斯壓力0.1 MPa，小于0.74 MPa，殘余瓦斯含量2.42 m3/t，小于8 m3/t，防突措施效果檢驗(yàn)合格，工作面可以進(jìn)行開采。工作面回采期間，通過對B10 煤層高抽巷進(jìn)行封閉抽采，有效解決了回風(fēng)隅角的高濃度瓦斯及本煤層和上覆B11b 煤層的卸壓瓦斯，B10 煤層回采期間工作面瓦斯抽采率在90%以上，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛仍?.6%以下，回風(fēng)流中最大瓦斯?jié)舛?.15%，月平均回采長度高達(dá)200 m，保障了采煤工作面的正常接替。

3.2 被保護(hù)層工作面瓦斯治理效果

B10 煤層回采結(jié)束后，上覆的B11b 煤層受采動(dòng)影響充分卸壓，通過對保護(hù)層開采后的效果進(jìn)行評價(jià)，B11b 煤層的殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa、殘余瓦斯含量低于8 m3/t，均位于臨界值以下，防突措施效果檢驗(yàn)合格，工作面可以進(jìn)行回采，通過對卸壓鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4（a）所示，B11b 煤層回采期間，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%以下。

B10 煤層回采結(jié)束后，通過對下伏的B8 煤層進(jìn)行防突措施效果評價(jià)，B8 煤層的殘余瓦斯壓力大于0.74 MPa，殘余瓦斯含量大于8 m3/t，防突措施效果檢驗(yàn)不合格，工作面不能進(jìn)行回采，需繼續(xù)采取區(qū)域防突措施，由此可以看出方案2 不能有效治理被保護(hù)層B8 煤層的卸壓瓦斯。從表2 可以看出，B11b 煤層回采結(jié)束后B8 煤層的殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa，殘余瓦斯含量小于8 m3/t，防突措施效果檢驗(yàn)合格，工作面可以進(jìn)行回采。這是由于B10 煤層回采結(jié)束后通過在B6 煤層底板巷內(nèi)再次施工上向穿層鉆孔，鉆孔終孔位置位于B8 煤層內(nèi)，當(dāng)回采B11b 煤層時(shí)，B8 煤層受采動(dòng)影響，進(jìn)行二次卸壓，此時(shí)二次施工的鉆孔就能繼續(xù)抽采B6、B7a 及B8 煤層的卸壓瓦斯，通過在線計(jì)量統(tǒng)計(jì)，B10 煤層底板巷內(nèi)施工的B8 煤卸壓抽采鉆孔平均抽采濃度32%，平均抽采純量14 m3/min，抽采率54.3%；B6 煤層底板巷內(nèi)施工的穿層卸壓抽采鉆孔平均抽采濃度66.7%，平均抽采純量40 m3/min，抽采率88.7%；B10、B6 煤層底板巷內(nèi)鉆孔抽采濃度、抽采純量與抽采時(shí)間的關(guān)系分別如圖4（b）和圖4（c）所示。

表2 各煤層殘余瓦斯壓力及含量Tab.2 Residual gas pressure and content in each coal seam

圖4 煤層底板巷鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量隨時(shí)間變化關(guān)系圖：（a）C13，（b）B10，（c）B6Fig.4 Curves of gas drainage concentration and purity in relation to time through boreholes of floor roadway of coal seams：（a）C13，（b）B10，（c）B6

從表2 可以看出，開采保護(hù)層對被保護(hù)層的瓦斯治理效果顯著，同時(shí)，保護(hù)層的保護(hù)效果與煤層之間的距離有直接關(guān)系，開采保護(hù)層的同時(shí)預(yù)抽被保護(hù)層的卸壓瓦斯，是最有效的瓦斯治理方式。

4 結(jié) 論

近距離突出煤層群瓦斯治理，最優(yōu)方案為開采保護(hù)層的同時(shí)重復(fù)抽采被保護(hù)層的卸壓瓦斯；施工的高抽巷徹底解決了保護(hù)層工作面開采過程中本煤層的卸壓瓦斯及回風(fēng)隅角瓦斯超限難題；圍繞煤層群瓦斯治理所施工的巷道實(shí)現(xiàn)了一巷多用，最大程度地節(jié)約了煤炭的開采成本，體現(xiàn)了技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化的基本要求，對于其它高瓦斯及突出礦井煤層群開采時(shí)的瓦斯治理具有借鑒意義。